CN103630178B - 质量流量计隔振系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种质量流量计隔振系统，包括U型测量管的上水平段、竖直段、下水平段、位于上水平段与竖直段之间的上圆弧段以及位于竖直段与下水平段之间的下圆弧段，在下圆弧段上设置有隔振块，隔振块在U型测量管轴心线所在的平面内与下圆弧段之间满焊，U型测量管具有惯性中心，所述隔振块与测量管下圆弧段满焊焊缝中的外焊接点到惯性中心的直线距离等于内焊接点到惯性中心的直线距离。通过该设置形式，可使最大应力中的剪应力与正应力之比接近1，而非某一应力形式为主，使得外焊接点与内焊接点应力均匀化，降低了焊接材料和工艺对测量管带来的影响，尤其适合在质量流量计的隔振系统中推广应用。

Description

质量流量计隔振系统

技术领域

本发明涉及一种质量流量计，具体涉及一种质量流量计隔振系统。

背景技术

油类汽车废气排放是城市空气污染的主要来源，大力推广以天然气代替汽油和柴油等作为汽车新燃料，是有效降低汽车尾气污染的重要方式。随着国家对清洁能源的重视和国人环保意识的加强，天然气作为最佳的替代能源正逐渐进入我们日常生活的各个方面，尤其在汽车行业中的应用最为广泛。质量流量计是CNG行业最重要贸易结算技术手段，开展高压气体流量计技术研究是我国应用清洁环保天然气汽车发展的必然趋势。

决定质量流量计性能好坏的一个重要标准，就是其隔振系统的设计是否合理。隔振系统的主要功能是分离测量管的振动频率，避免外部振动造成对测量管振动的影响。目前，市场上的质量流量计通常采用单隔振系统，即单个隔振块(如图1所示)。也有采用双隔振系统的质量流量计(如图2所示)，即采用两块质量、大小和形状都一样的隔振块构成隔振系统。

通过理论研究和实验发现，这两种隔振系统的应力分布情况有所区别。第一种隔振形式的应力区域主要集中在与测量管振动同向的轴线上，应力形式主要以正应力为主(如图3所示)。第二种隔振形式的应力区域主要集中在与测量管振动成90°的轴线上，应力形式主要以剪应力为主，且呈现不对称分布(如图4所示)。

实际上，这些隔振系统上的应力区域是测量管与隔振块焊接的部分，其强度由焊接材料和工艺决定。因此，不管是正应力，还是剪应力，只要在此焊接区域形成了应力过于集中的情况，则必然使焊接材料和工艺中的缺陷对测量管的振动产生影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可使隔振块应力均匀化的质量流量计隔振系统。

发明的目的通过下述技术方案实现：

质量流量计隔振系统，包括U型测量管的上水平段、竖直段、下水平段、位于上水平段与竖直段之间的上圆弧段以及位于竖直段与下水平段之间的下圆弧段，在下圆弧段上设置有隔振块，隔振块在U型测量管轴心线所在的平面内与下圆弧段之间满焊，U型测量管具有惯性中心，所述隔振块与测量管下圆弧段满焊焊缝中的外焊接点到惯性中心的直线距离等于内焊接点到惯性中心的直线距离。

进一步的，所述隔振块与水平面之间所夹锐角为α，计算该α值的过程如下：

U型测量管对隔振块6的总惯性矩为

J＝J1+J2+J3+J4；

其中，J1为顶端长度为L的上水平段1对OO’轴的惯性矩，J2为上部半径为R的上圆弧段4对OO’轴的惯性矩；J3为高度为H的竖直段2对OO’轴的惯性矩；J4为下部半径为R的下圆弧段5中角度为α的圆弧段对OO’轴的惯性矩；

则

$J_2={\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}\×\mathrm{\ρ}\×A\×R\×\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\×{(H+R\×sin\mathrm{\α}+R\×sin\mathrm{\θ})}^2;$

$J_3={\∫}_0^{H}2\×\mathrm{\ρ}\×A\×\mathrm{\Δ}h\×{(h+R\×sin\mathrm{\α})}^2;$

$J_4={\∫}_0^{\mathrm{\α}}\×\mathrm{\ρ}\×A\×R\×\mathrm{\Δ}\mathrm{\ψ}\×{(R\×sin\mathrm{\α}-R\×sin\mathrm{\ψ})}^2;$

A为测量管截面积，ρ为密度；并将上水平段1取微元长度△L，竖直段2取微元长度△h，上圆弧段4取微元角度为△θ，下圆弧段5取微元角度△ψ，U型测量管以角速度ω绕OO’轴摆动；其中，θ为上圆弧段(4)上的点和上圆弧段圆心点之间的连接线与水平线所成的角度，h为竖直段(2)上的点与竖直段下端起点之间距离，ψ为下圆弧段(5)上的点和下圆弧段圆心点之间的连接线与水平线所成角度；

计算测量管振动部分的总质量

m＝m₁+m₂+m₃+m₄

＝ρ×A×(L+π×R+2×H+2×R×α)；

根据m与J可计算得出U型测量管的惯性中心到OO’轴的高度为

$Y=\sqrt{\frac{J}{m}};$

根据Rcosα+Ytanα＝2R+L/2可计算得到α值。

再进一步的，所述竖直段的高度H＝78mm，上圆弧段与下圆弧段的半径R＝40mm，上水平段的长度L＝50mm，可计算得出α＝40°。

为了更好地实现本发明，

由Y_修＝Y×K；其中：Y_修为修正后的惯性中心高度，K为修正系数，取为1.02～1.05；

根据计算可得修正后的α_修值。

为了确保效果，所述竖直段的高度H＝78mm，上圆弧段与下圆弧段的半径R＝40mm，上水平段的长度L＝50mm，可计算得出修正后的α_修＝38°。

本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

通过本发明的设置形式，可使应力集中情况得到了减轻，集中区域发生了转移，同时，还改变了应力的组成比例，最大应力中的剪应力与正应力之比接近1，而非某一应力形式为主，使得外焊接点与内焊接点应力均匀化，因此，降低了焊接材料和工艺对测量管带来的影响，可提高质量流量计对CNG气体质量流量的测量准确性，尤其适合在质量流量计的隔振系统中推广应用。

附图说明

图1为现有技术中设置单隔振块的质量流量计示意图；

图2为现有技术中设置双隔振块的质量流量计示意图；

图3为现有技术中单隔振块质量流量计的应力分布示意图；

图4为现有技术中双隔振块质量流量计的应力分布示意图；

图5为本发明的结构示意图；

图6为本发明的应力分布示意图；

图7为本发明的计算原理图；

图8为本发明的计算原理图。

图中标记为：上水平段1、竖直段2、下水平段3、上圆弧段4、下圆弧段5、隔振块6、U型测量管轴心线7、外焊接点A、内焊接点B、惯性中心C。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：

实施例

如图5所示，本发明的质量流量计隔振系统，包括U型测量管的上水平段1、竖直段2、下水平段3、位于上水平段1与竖直段2之间的上圆弧段4以及位于竖直段2与下水平段3之间的下圆弧段5，在下圆弧段5上设置有隔振块6，隔振块6在U型测量管轴心线7所在的平面内与下圆弧段5之间满焊，U型测量管具有惯性中心C，所述隔振块与测量管下圆弧段满焊焊缝中的外焊接点A到惯性中心C的直线距离等于内焊接点B到惯性中心C的直线距离。通过该设置形式，可使应力集中情况得到了减轻，集中区域发生了转移，同时，还改变了应力的组成比例，最大应力中的剪应力与正应力之比接近1，而非某一应力形式为主，使得外焊接点A与内焊接点B应力均匀化(如图6所示)，因此，降低了焊接材料和工艺对测量管带来的影响，可提高质量流量计对CNG气体质量流量的测量准确性。

U型测量管尺寸如图7所示，其中，隔振块6与水平方向成角度α。

为简化运算，我们以实心管代替空心测量管。测量管截面积为A，密度为ρ。

将上水平段1取微元长度△L，竖直段2取微元长度△h，上圆弧段4取微元角度为△θ，下圆弧段5取微元角度△ψ。

在工作状态下，U型测量管将以角速度ω绕OO’轴(过外焊接点A与内焊接点B之间的中点)做微幅摆动。

此时，U型测量管对隔振块6的总惯性矩为：

J＝J1+J2+J3+J4

J1——顶端长度为L的上水平段1对OO’轴的惯性矩

J2——上部半径为R的上圆弧段4对OO’轴的惯性矩

J3——高度为H的竖直段2对OO’轴的惯性矩

J4——下部半径为R的下圆弧段5中角度为α的圆弧段对OO’轴的惯性矩

则

$\begin{array}{c}{J}_1={\∫}_0^L\mathrm{\ρ}\×A\×\mathrm{\Δ}L\×{(R+H+R\×\sin \mathrm{\α})}^2\\ =\mathrm{\ρ}\×A\×L\×{(R+H+R\×\sin \mathrm{\α})}^2\end{array}$

同理，

$\begin{array}{c}{J}_2={\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}2\×\mathrm{\ρ}\×A\×R\×\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\×{(H+R\×\sin \mathrm{\α}+R\×\sin \mathrm{\θ})}^2\\ =2\×\mathrm{\ρ}\×A\×R\×(\frac{\mathrm{\π}\×{(H+R\×\sin (\mathrm{\α}\left)\right)}^2}{2}+2\×R\×(H+R\×\sin \left(\mathrm{\α}\right))+R^2\×(\frac{\mathrm{\π}}{4}+1\left)\right)\end{array}$

$\begin{array}{c}{J}_3={\∫}_0^{H}2\×\mathrm{\ρ}\×A\×\mathrm{\Δh}\×{(h+R\×\sin \mathrm{\α})}^2\\ =2\×\mathrm{\ρ}\×A\×(\frac{H^3}{3}+H^2\×R\×\sin \left(\mathrm{\α}\right)+R^2\×H\×{\sin }^2\left(\mathrm{\α}\right))\end{array}$

$\begin{array}{c}{J}_4={\∫}_0^{\mathrm{\α}}2\×\mathrm{\ρ}\×A\×R\×\mathrm{\Δ}\mathrm{\ψ}\×{(R\×sin\mathrm{\α}-R\×sin\mathrm{\ψ})}^2\\ =2\×\mathrm{\ρ}\×A\×R^2\×(\mathrm{\α}\×\sin (\mathrm{\α})+\cos (\mathrm{\α})-1)\end{array}$

而测量管振动部分的总质量为

m＝m₁+m₂+m₃+m₄

＝ρ×A×(L+π×R+2×H+2×R×α)

可得U型测量管的惯性中心到OO’轴的高度为

$Y=\sqrt{\frac{J}{m}};$

由图7中测量管的几何关系可知:

$\mathrm{\β}=arctan\left(\frac{R(2-cos\mathrm{\α})+L/2}{Y}\right)$

本实施例中的测量管尺寸为H＝78mm，R＝40mm，L＝50mm，假设α＝45°，通过matlab计算，可得：

Y≈90.4mm，β≈40.3°，其中β为惯性中心到外焊接点A、内焊接点B之间中点的连线与竖值平面之间的夹角。由于α≠β，且α>β，所以，隔振块与测量管下圆弧段满焊焊缝中的外焊接点A与内焊接点B到惯性中心的距离不等，即L₁<L₂，所以，作用在外焊接点A与内焊接点B的力不等，且F_a>F_b，因此，隔振块上最大的力是F_a，最小的力是F_b，因此，应力主要集中在A点(如图8所示)。

因此,为了达到应力均化的目的,就必须满足α＝β。由图7的三角几何关系可得，当α＝β时，必然存在以下结果：

Rcosα+Ytanα＝2R+L/2

此方程可通过matlab求解。在当前尺寸条件下，求得α＝40°，则

F_a＝F_b，隔振块上的应力集中情况得到改善，应力呈均匀分布。

另外，考虑到测量管上还需要安装驱动和速度传感器等零件，重心将略微升高，可设

Y_修＝Y×K

Y_修——修正后的惯性中心高度

K——修正系数，一般取为1.02～1.05。

计算可得

根据可计算此时满足应力均衡条件的隔振块角度为α_修＝38°。

通过使用本发明，可以使质量流量计设计人员根据测量管的不同尺寸，分别确定最佳的隔振块6的位置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.质量流量计隔振系统，包括U型测量管的上水平段(1)、竖直段(2)、下水平段(3)、位于上水平段(1)与竖直段(2)之间的上圆弧段(4)以及位于竖直段(2)与下水平段(3)之间的下圆弧段(5)，在下圆弧段(5)上设置有隔振块(6)，其特征在于：隔振块(6)在U型测量管轴心线(7)所在的平面内与下圆弧段(5)之间满焊，U型测量管具有惯性中心(C)，所述隔振块与测量管下圆弧段满焊焊缝中的外焊接点(A)到惯性中心(C)的直线距离等于内焊接点(B)到惯性中心(C)的直线距离。

2.根据权利要求1所述的质量流量计隔振系统，其特征在于：所述隔振块(6)与水平面之间所夹锐角为α，计算该α值的过程如下：

U型测量管对隔振块(6)的总惯性矩为

J＝J1+J2+J3+J4；

其中，J1为顶端长度为L的上水平段(1)对OO’轴的惯性矩，J2为上部半径为R的上圆弧段(4)对OO’轴的惯性矩；J3为高度为H的竖直段(2)对OO’轴的惯性矩；J4为下部半径为R的下圆弧段(5)中角度为α的圆弧段对OO’轴的惯性矩；OO’轴为过外焊接点(A)与内焊接点(B)之间的中点；

则

A为测量管截面积，ρ为密度；并将上水平段(1)取微元长度△L，竖直段(2)取微元长度△h，上圆弧段(4)取微元角度为△θ，下圆弧段(5)取微元角度△ψ，U型测量管以角速度ω绕OO’轴摆动；其中，θ为上圆弧段(4)上的点和上圆弧段圆心点之间的连接线与水平线所成的角度，h为竖直段(2)上的点与竖直段下端起点之间距离，ψ为下圆弧段(5)上的点和下圆弧段圆心点之间的连接线与水平线所成角度；

计算测量管振动部分的总质量

m＝m₁+m₂+m₃+m₄

＝ρ×A×(L+π×R+2×H+2×R×α)；

根据m与J可计算得出U型测量管的惯性中心到OO’轴的高度为

$Y=\sqrt{\frac{J}{m}};$

根据Rcosα+Ytanα＝2R+L/2可计算得到α值。

3.根据权利要求2所述的质量流量计隔振系统，其特征在于：所述竖直段(2)的高度H＝78mm，上圆弧段(4)与下圆弧段(5)的半径R＝40mm，上水平段(1)的长度L＝50mm，可计算得出α＝40°。

4.根据权利要求2所述的质量流量计隔振系统，其特征在于：

由Y_修＝Y×K；其中：Y_修为修正后的惯性中心高度，K为修正系数，取为1.02～1.05；

根据计算可得修正后的α_修值。

5.根据权利要求4所述的质量流量计隔振系统，其特征在于：所述竖直段(2)的高度H＝78mm，上圆弧段(4)与下圆弧段(5)的半径R＝40mm，上水平段(1)的长度L＝50mm，可计算得出修正后的α_修＝38°。